地层学的原理

沉积物﹝矿物颗粒与碎石﹞在地表受风化而形成，它们受侵蚀过程搬运，并在其他地方沉积下来，形成沉积层。沉积物随著时间加厚，由于重量及压力增加，沉积物最终被压缩及岩化成为沉积岩。

十八世纪科学家家James Hutton被誉为现代地质学之父。他经过观察现代沉积物的堆积速度，推论出今天看见厚厚的沉积岩层，须经过一段漫长时间形成。他更得出结论指类似现今的地质作用，从前必定已经发生。从此结论并引伸成为均变说理论。均变说指所有古老的岩石及地质特征，均能够以现今的地质作用解释。均变说通常被形容为 「现在是开启过去的钥匙」 。

研究保留在岩层内的地质记录称为地层学﹝图1﹞。

图1：于美国大峡谷国家公园露出的晚生古代﹝三亿一千五百万至二亿八千五百年﹞

地层学是基于以下两个先决原则：

• 地层层序定律于1699年由Nicolas Steno创立。他认识到当沉积物按水平状态顺序形成地层时，最老的地层在下面，而最年轻的地层则在上面，组成地层层序。
• 化石层序规律是由英国矿产地质学家William Smith创立。他观察后指出，个别的岩层或地层的排列方式，在任何地方皆可预计得到。重要的是，含有相近化石类别﹝化石组合﹞的岩层，会出现在同样的层位﹝时代﹞，这点使分布在不同地方的岩层能相互对比，并让William Smith于1815年制作出首张全国的地质图。

这两个地层学原理，有助根据岩层的层序推断岩层的相对年龄。相对年龄是指在岩层序列之中，哪一岩层较其他岩层年长﹝或是较年轻﹞。不过，这并没有指出岩石的确切年纪﹝即绝对年龄﹞。

相对年龄

参考图2，根据地层层序定律，砂岩、粉砂岩、泥岩、石灰岩、火山灰及砾岩的沉积物按次顺序沉积，图中的砂岩是最老的岩石，而砾岩则是最年轻。

另外两个可以协助推断岩石及地质事件的相对年龄的原则是：

• 相互切割关系原则是指任何地质特征﹝例如岩墙﹞切过现存的岩石，这地质特征一定较被切割的岩石年轻。
• 包含碎块原则是指任何含有其他岩石碎块的岩石，一定较该碎块的岩石年轻。

图2：沉积岩与火成岩的相对年龄关系。

表1：图2所示的地质事件的发生次序

图2所示，在花岗岩内发现泥岩的碎块﹝包含碎石原则﹞，花岗岩一定在泥岩形成之后侵入。再者，岩墙切过砂岩、粉砂岩、泥岩、石灰岩、火山灰及花岗岩体内，但并没有触及砾岩。此关系确定岩墙侵入的时间在砂岩、粉砂岩、泥岩、石灰岩、火山灰及花岗岩形成之后，但在砾岩形成之前。最后，正断层错动整个岩石层序，使到右侧的岩层向下位移。

因此，从图2所见，可以就这些地质历史事件作出摘要如表1。

从层序所见到的岩层不一定代表完整的沉积历程。有些沉积物或岩层可能受风化侵蚀，部分剥落并被移走，或是长时期没有沉积作用发生。有些岩层甚至可能遭侵蚀后全部被移走，以致该地区缺失了整个时期的地质记录。事实上，缺失的地质事件可能较现在幸存于岩层中能找到线索的还要多。

一个地区的地质史是按照岩层层位关系而编定，之后可从岩层中的化石，而断定不同岩层的相对年龄。尽管沉积环境因在不同的地域而改变，致使化石不一定出现于相同的岩石之中，远距离分隔的岩层层序可引用化石层序定律来确定相对层位。

地质时代表

地质图显示不同类型的岩石在地面的分布情况、构造特征及其相对年龄的关系。

最初的地质图只有简单地显示含有相似化石组合的岩石的地层关系。后来，随著有更多地方的地质图完成及知识的增加，地质时代表根据广泛的岩石及化石种类为基础发展而成。其后制定了地质时代单位，即是将个别岩石及化石组别归类至相对的年代。不少的地质时代单位，是按该地层首次在英国被描述的地区而命名﹝例如泥盆纪﹞。

自五亿四千二百万年前至今，称为显生元﹝意谓 「展现生命」﹞。在这期间，地球上出现非常丰富、能够确认而且不断演化的植物及动物，因此地质时代表中，显生元出现最多的分组。显生元时期之地质时代单位的界线，通常以物种广泛绝迹的化石记录，以及反映了全球性地质事件的不整合来划分，如主要的岩浆活动或陨石撞击等事故，例子包括：在二叠纪及白垩纪末期，有大量岩浆涌出，以及于白垩纪末期的陨石撞击。

直至二十世纪初，没有任何科学方法可以推断岩石的确切﹝绝对﹞年龄。因此，地质时代单位只代表相对年龄。一直以来有多个有关地球年岁的理论面世。以宗教角度估计，地球相当年轻，即使早期的地质学家早已认定沉积岩的庞大厚度，需要很长的时间始能形成。英国物理学家家Lord Kelvin于1846年根据岩浆在地球表层冷却估计所需的时间为基础，推算出地球的年龄约二至三千万年。

二十世纪初，岩石中的天然放射性同位素被确认可用作纪录岩石的年龄。这个发展有助为地质时代单元编排年岁，从而建立地质时代表﹝图3﹞。由于定年法的技术不断改良，地质时代表的框架目前仍在改善中。

首个地质时代表于1913年由英国地质学家Arthur Holmes﹝1890-1965﹞发表。国际地层学协会定期根据新加入的数据，调整地质时代单位的分界线，并由国际地质科学会确证，最近一次的修正于2008年完成及发表。

绝对年龄

放射性同位素被称为 「藏于岩石内的时钟」，可用来确定岩石的绝对﹝或数字﹞年龄，把岩石的绝对年龄计算成一个具体的数字年岁。

简单而言，同位素元素的存在，是由于某些元素的原子核内拥有不同数目的中子，但具有相同数目的电子和质子。其中有些同位素﹝母同位素﹞不太稳定﹝指具放射性﹞，并经由释放能量而转化至另一个较稳定的同位素﹝子同位数﹞。从母同位素转化至子同位素的衰减速度是固定的，而个别的同位素的衰减速度均独一无二。

许多矿物皆含有放射性同位素。当矿物形成后，矿物中的母同位素便开始衰减而转化至子同位素。理论上，矿物的年龄﹝自形成后的时间﹞可从计算矿物中的母及子同位素的比率来判断。矿物的年岁等同在矿物内产生出的子同位素数量所需的时间。该时间可根据已知的同位素衰减速度来计算。

地球年岁

地球上已知最古老的岩石约有四十二亿八千万年岁。然而由于板块运动的关系，这些最早的岩石于板块运动的过程中被循环再生及破坏，以致未能凭此计算出地球可靠的岁数。取而代之，估计地球岁数最准确的方法是利用陨石的放射性定年法。陨石相信是太阳系形成时遗留的物质，在地球找到 最古老的含铁陨石，所含有的矿物的年龄是四十五亿七千万年，这年龄被视为目前地球年岁的最佳估计。

图3：简易地质时代表。

地质图

地质图是将各种不同的地质资料，包括岩石及沉积物的分布、指定地区的岩石种类、其年代关系、以及区内的地质构造特点，透过图像展示出来。

地质图通常包括一张地形图，在此之上利用颜色显示地层单位﹝岩石及沉积物﹞的分布；又以特别符号来标示地质结构及其他地质资料。地图上的颜色、线条及符号代表了大量由地质学家从实地考察搜集得来的资讯。地质图包括图例，用以解释符号的意思。地质图上的图例有时亦会显示地层关系。另外，地质图一般都包括一个或以上的剖面图，以帮助使用者理解该区的地质情况﹝图4﹞。

地质图的用途广泛，包括土地规划用途、评估天然灾害、探测矿物资源、评估水源及工程项目等等。

地质图简明、扼要地解释区内的地质历史。但须注意地质图仅表达了地质学家于制图时，对所得的地质资料的诠释。地图勘察的范围及搜集数据的时间，对地质图的准确度有很大影响。随著更多的实地考察及来自探孔及挖掘的数据增加，地质图可进一步得以修订及改进。

岩群、岩组、岩套

地层单位是指分立并可明确划定的地层或岩体。具有独特岩性、物质及化学特征的地层单位，以岩组显示于地质图上。两个或以上地理相近及具有类似特质的岩组，被分配为同一岩群，亦即岩组以上的一个级别。

较大而独立的侵入岩在地质图上显示为深成岩体或花岗岩岩体，并按其出现的地区而定名。这些花岗岩岩体的地位等同于与岩组。多个化学及矿物特征有密切关系的花岗岩岩体，则会组合为岩套。

香港的火山岩岩组通常被编排至一个岩群，以表示特定的岩浆活动时期﹝即火山活跃期﹞。岩套相等于火山岩岩群，两者皆代表特定的岩浆活动时期。未经固结的表土沉积物是最年轻的地层单位，复盖了大部分坚固的基岩。香港的表土沉积物包括陆上的冲积物﹝河流沉积﹞及坡积物﹝山坡沉积﹞， 海泥、海沙以及更新世的离岸冲积。

地质图显示甚么？

颜色范围

在地质图上，每个地层单位﹝非指每类岩石﹞都会被分配一个专用颜色，颜色的选择通常视乎地层单位的年龄而定。国际上有数个认可的颜色标准系统，给特定的地层单位及地质时期。然而某程度上，为了配合地图的独特用途，差不多所有的地质图上采用的颜色都跟标准的系统有所不同。

除个别专用颜色外，文字符号亦经常被用来识别特定地方的地层单位。首个字母为大楷，通常代表地质年代，例如：J是指侏罗纪﹝二亿至一亿四千五百万年前﹞，P则表示二叠纪﹝二亿九千九百万至二亿五千一百万年前﹞，及D代表泥盆纪﹝四亿一千六百万至三亿五千九百万年前﹞，随后的字母﹝小楷﹞则代表其岩组的名字或主要的岩石种类。

地质线

观察不同岩石单位的接触方式是阅读地质图的重要元素，而三种主要的地质接触类型为：侵入接触、沉积接触及断层接触。在地质图上，侵入及沉积接触一般以幼线表达，至于断层接触则以粗线显示。

显示在地质图上的断层并非都是活跃断层﹝即与地震有关﹞。长时间不再活跃的断层的纪录，仍可能保留于岩石中。因此，地质图上的断层线只代表保留在岩石内的断层位置。

在地质图上，地质边界可以是实线或虚线，这反映其在地图上的确定性及准确程度。通常植被、土壤或市区建设会遮藏了地质接触边界。如果地质边界可观察得到，于地质图上便会以实线显示。但如地质边界不确定或仅凭推断，该地质线便会以虚线表达。一般而言，虚线越短，则表示该界线的位置越不确定。

地质图上的线条可以用符号来补充说明，如有：填色三角形、小剔号、箭号等。这些符号为地质线提供补充资料，例如断层﹝粗线﹞加上三角形表示该断层属于逆断层，而断层线附有三角形的一方﹝即是断层上盘﹞，被推复至线的另一方﹝即是断层下盘﹞。这些地质线和其他的线上符号皆于图例中阐释。

地质符号

地质面﹝如岩层、节理、断层或纹理等﹞的三维方向，以走向及倾角符号表达﹝图5﹞。当地质学家觅得合适岩石露头﹝并非松散的巨砾﹞，便会使用地质罗盘及倾斜仪来量度这些构造的方向，以走向及倾角记录下来﹝图6﹞。每个在地质图的走向及倾角符号，一般采用经多次量度所得的平均数值。

图5：地质线的例子。

图6：倾斜沉积岩岩层的走向及倾角。

• 走向：走向是指倾斜的地质面与虚拟的水平面相交而成的线所延伸的方向﹝图6﹞。好像将一块玻璃放入一碗水内，由于水面处于水平，玻璃上的水位线是水平线，即走向线，而水位线所延伸的方向便是走向。
• 倾角：倾角一般是指倾斜角度，即地质面与水平之间的角度，指地质面于倾斜方向的倾斜度。倾斜方向与走向成垂直方向。水平的平面的倾角为0°，垂直的平面的倾角则为90°。

图例

图例是地质图的重要部分，用以解释在地质图上的颜色、线条及符号的意义。要充分了解地质图，图例是不可或缺的。图例将每个地层单位的颜色及字母代号，并按年龄排列，在最上先列出最年轻，或新近形成的地层单位﹝例如人为堆积物﹞，而最古老的则放在最下。另外，图例亦同时列出岩石或沉积物的名称、简介及年龄。图例亦用作解释采用的地质线、走向及倾角等地质符号，亦可能包括矿产、化石位置以及区内其他的重要特征的符号。

绘画地质图的工具

传统上，地质图是根据地质学家在调查范围内尽量行经的地方，记录所见的岩石 ﹝露头﹞、岩石种类﹝岩性学﹞、地质构造、风化程度，以及其他有用的特征。全部观察所得的资料均记录在地形图上，并且利用磁极罗盘及倾斜仪等作测量。航空照片亦协助地质学家在野外认出目标地质特征。

• 地形图利用等高线显示区内的地形，包括河流、湖泊、水塘、道路、建筑物、步行径等。地形图以不同的比例绘画，香港最常用的地图比例有：1：50,000、1：20,000、1：10,000、1：5,000及 1：1,000。例如1：10,000比例的地图指地图上每一厘米代表实地的10,000厘米﹝即100米﹞。选用的比例视乎勘察目的，即地图上所需记录的地质资料的多寡而定。
• 航空照片﹝图7﹞是从飞机于空中离地面固定的高度拍摄。一对相邻的航空照片，若有60%的重叠范围，则可用于塑造地形的三维视象，对侦察性勘察甚有用处。如能掌握拍摄航空照片的飞行高度及镜头焦点距离的资料，即可确定航空照片的比例。香港备有少量摄于1924至1963年间，有限地区的航空照片。自1963年开始，每年均有系统地于全港进行黑白航空照片的拍摄。于1985年起，每年进行两次黑白照片拍摄工作，而到了1993年则定期每年拍摄两次彩色照片。
• 磁极罗盘﹝图8﹞是用来判断北磁极方向的工具。它的原理是基于地球深处的地核形成有如一个巨型磁石，两端代表﹝正负两极﹞地理上的南北两极附近的位置。磁极罗盘具有一支可自由360°旋转的磁针，让观察者能确定其位置与北极间的方位。然而，磁极与地埋上的南北两极出现最多1,167公里的偏差，而这偏差按年转变。在香港，北磁极与地理上的北极均指向同一方位。然而在世界别的地方，出现的差异，可能须从罗盘读数作出约30°的加减调整。
• 倾斜仪﹝图9﹞是用来量度地面的倾斜度，例如岩层的倾角。它采用水平尺﹝将液体注入密封玻璃管内﹞或钟摆分别来判定水平或垂直的倾斜度。倾斜仪上刻有半圆形度数表，指示平面的倾角。

图7：航空照片。

图8：磁极罗盘。

图9：倾斜仪。